水文地质学之地下水运动的基本规律简明

水文地质学第五讲地下水运动的基本规律2022/12/32OUTLINE与地下水运动有关的几个基本概念重力水运动的基本规律Darcy试验与Darcy定律渗透、渗透速度及渗透系数的概念流网流网的基本概念与绘制原则流网的用途饱和粘性土中水的运动规律本章的核心问题地下水是如何运动的？你想象一下，是怎样一个状况？如何去认识地下水的运动？如何刻画地下水的运动？在实际工程应用中，如何运用地下水运动的规律？2022/12/34几个基本概念地下水在岩石空隙中的运动称为渗流，或者渗透。渗流比地表水的运动缓慢得多。层流与紊流：在岩石空隙中渗流时，水的质点作有序的、互不混杂的流动，称作层流运动。在岩石空隙中渗流时，水的质点无序地、互相混杂的流动，称作紊流运动。稳定流与非稳定流：水在渗流场中运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间而改变的渗流，称作稳定流；运动要素随时间而变化的渗流称作非稳定流。2022/12/35重力水运动的基本规律1856年法国水力学家达西通过大量的试验，总结得出重力水运动的线性渗透规律。达西试验：在装有砂的圆筒中进行；圆筒上下各设置一个测压管；采取溢流措施来控制常水头；达西定律试验2022/12/37达西定律——重力水运动的基本规律根据大量的试验，得到如下关系式：上式即为达西公式，等式两边除以面积，得另一个表达式：达西定律可表述为：地下水的渗透流速与水力梯度的一次方成正比。故又称作线性渗透定律。2022/12/38达西定律要素分析：渗透流速（v）达西公式中的过水断面ω是指砂柱的横断面积，其中包括颗粒所占面积和空隙所占面积；而水流通过的实际断面是扣除结合水所占面积的空隙面积ω’。二者有如下关系：上式中的有效空隙度是指重力水流动的空隙体积（不包括结合水所占体积）与岩石体积（包括空隙体积）之比，因此小于岩石的空隙度，但大于给水度。特别是对粘性土尤其如此。渗透流速v不是真实流速，而是假设水流通过岩石整个断面时所具有的虚拟流速。与真实流速u有如下关系：2022/12/39达西定律要素分析：水力梯度（i）水力梯度（i）定义为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。强调水头损失（水头差）与渗透途径（长度）的相对应。水头梯度可以理解为水流通过单位长度渗透途径为克服阻力而消耗的机械能；也可从另一角度，理解为克服阻力使水能以一定速度流动的驱动力。为什么会有水头损失？A:地下水在岩石空隙中运动时，必须克服水与隙壁之间，以及流动快慢不一的水质点之间的摩擦力，从而消耗机械能，造成水头（能量）损失。2022/12/310达西定律要素分析：渗透系数（K）渗透系数可以定量地描述岩石的渗透性能，渗透系数越大，则岩石的透水能力越强。从达西公式可知，水力梯度为无因次的，因此渗透系数可以定义为水力梯度等于1时的渗透流速。渗透系数与渗透的液体有关吗？

地下水运动时，须克服水与隙壁之间及水质点之间的摩擦力，因此渗透系数不仅与岩石空隙性质有关，而且与渗透的液体某些性质，如黏度有关。一般情况下，水的物理性质变化不大，在研究地下水时，把渗透系数看作单纯是说明岩石渗透性能的参数。2022/11/2611达西定律并不不适用于所有有层流运动的的地下水。而而是指适用于于雷诺数小于于1~10之间某一数值值的层流运动动，当超过此此范围，渗透透流速v与水力梯度i之间不再是线线性关系。值得庆幸的是是，绝大多数数情况下地下下水运动都非非常缓慢，都都服从达西定定律。达西定律是水水文地质定量量计算的基础础，也是定性性分析各种水水文地质过程程的依据。需需要深刻理解解，灵活运用用。达西定律要素素分析：渗透系数（K）Darcy定律的应用软土的排水固固结问题软土，正如其其名称所示，，是工程力学学性能很弱（（差）的土，，包括饱和粘粘土和饱和粉粉质粘土（液液性指数大于于1.0，孔隙比大于于1.0）。软土作为建筑筑物或构筑物物的地基，其其承载力低，，变形大，因因此必须事先先进行加固或或处理（地基基处理）。软土地基加固固的最常用方方法，就是排排水固结法，，包括荷载系系统和排水系系统两部分。。这是地基基处理中最具具有理论和技技术含量的方方法。其核心除了土土力学中土的的强度理论外外，就是深刻刻理解软土的的渗透特性和和渗透规律。。这就是土力力学中的固结结理论。2022/11/2612VerticalConsolidationDrains(wickdrains)基坑降水2022/11/2615流网几个问题：水头是什么？？等水头线怎么么来的？能否在渗流场场中作出等水水头面？流线与迹线流线是渗流场场中某一时刻刻的一条线，，线上各水质质点在此时刻刻的瞬时流向向均与此线相相切。因此没有水质质点穿过流面面（线）。迹线是渗流场场中某一时间间段内某一水水质点的运动动轨迹。在稳定流条件件下流线与迹迹线重合。流网：在渗流流场的某一典典型剖面上，，由一系列等等水头线与流流线相交组成成的网格称为为流网。2022/11/2616均质各向同性性介质中的流流网均质与非均质质介质：均质介质：在空间中任任何位置，介介质的性质都都相同的介质质（往往相对对应某一个物物理量）。非均质介质：在空间中至至少可选出两两个位置，介介质的性质或或某一特定性性质不相同的的介质。各向同性与各各向异性介质质：各向同性介质质：指介质的物物理量不具有有方向性，在在各个方向上上均相同（往往往相对应某某一个物理量量）。各向异性介质质：指介质的物物理量或某一一特定物理量量至少在两个个方向上不相相等。均质各向同性性介质，这里里即指其中的的渗流在任何何位置和沿任任何方向受到到的阻力都是是相同的。2022/11/2617均质各向同性性介质中的流流网（2）地下水必定是是沿水头变化化最大的方向向流动，即垂垂直于等水位位线的方向。。则流线与等等水位线垂直直，流网为正正交网格。作流网的方法法：根据边界条件件绘制易于确确定的等水头头线和流线。。图4-3。定水头边界，，如地表水体体的断面一般般可以看作是是等水头线隔水边界为零零通量的面，，因此平行隔隔水边界可绘绘出流线地下水面边界界，当无降水水补给、蒸发发排泄，而有有侧向补给作作稳定渗流时时，可看作流流线？！。而而有垂直补给给或排泄时，，既非流线，，亦非等水位位线。流线总是由补补给区指向排排泄区，依此此确定流线的的趋势；当渗渗流场中不止止一个补给区区或排泄区时时，首先应确确定分流线。。再根据流线与与等水位线正正交的原则，，在已知流线线和等水位线线基础上，插插补其余的部部分。2022/11/2618均质各各向同同性介介质中中的流流网（3）如果规规定相相邻两两条流流线之之间的的流量量相等等，则则流线线的疏疏密可可表征征渗流流的强强弱。。越密密，径径流越越强。。等水水头线线的疏疏密代代表水水力梯梯度的的大小小。以河间间地块块流网网图，，图4-4：说明示示意流流网的的绘制制方法法。。说明流流网在在实际际工作作中的的应用用。2022/11/2619层状非非均质质介质质中的的流网网层状非非均质质介质质是指指每一一层介介质是是均质质各向向同性性的，，但不不同层层的渗渗透性性不同同的介介质。。图4-5a：上下下两层层组成成的层层状非非均质质介质质中的的流网网；图4-5b：前后后两层层组成成的层层状非非均质质介质质中的的流网网。图4-6：流线线与岩岩层界界面既既不垂垂直，，也不不平行行。则则流线线穿越越界面面时服服从折折射定定律：：2022/11/2620例子一一，图图4-7。例子二二，含含水层层中存存在强强/弱透水水性的的透镜镜体的的情况况，图图4-8。2022/11/26212022/11/2622饱和和软软粘粘土土中中水水的的运运动动规规律律根据据目目前前已已有有的的试试验验结结果果，，粘粘性性土土渗渗透透流流速速与与水水力力梯梯度度之之间间有有如如下下三三种种关关系系：：通过过原原点点的的直直线线，，服服从从达达西西定定律律；；不通通过过原原点点，，只只有有水水力力梯梯度度大大于于某某一一值值后后才才开开始始渗渗流流，，开开始始阶阶段段为为向向I轴凸凸出出的的曲曲线线，，然然后后转转为为直直线线通过过原原点点，，I较小小时时为为向向I轴凸凸出出的的曲曲线线，，I大时时变变为为直直线线。。在实实际际实实验验中中，，也也可可能能得得到到其其他他类类型型的的试试验验曲曲线线。。2022/11/2623饱和和软软粘粘土土中中水水的的运运动动规规律律对于于图图4-9c的解解释释（（张张忠忠胤胤））：：K趋于于定定值值前前的的渗渗流流称称为为隐隐渗渗流流；；之之后后的的渗渗流流为为显显渗渗流流。。由于于结结合合水水的的抗抗剪剪强强度度随随着着离离颗颗粒粒表表面面的的距距离离的的增增大大而而降降低低，，因因此此当当施施加加的的水水力力梯梯度度较较小小时时，，只只有有孔孔隙隙中中心心抗抗剪剪强强度度小小的的那那部部分分结结合合水水发发生生运运动动；；随随着着I的增增大大，，参参与与渗渗流流运运动动的的结结合合水水厚厚度度加加大大，，即即水水流流动动的的有有效效孔孔隙隙面面积积扩扩大大，，隐隐渗渗流流阶阶段段的的K是I的函函数数。。由于于内内层层结结合合水水的的抗抗剪剪强强度度随随着着靠靠近近颗颗粒粒表表面面而而迅迅速速增增大大，，当当I进一一步步增增大大时时，，参参与与运运动动的的结结合合水水厚厚度度将将不不再再有有明明显显扩扩大大。。此此时时，，K趋于于定定值值。。2022/11/2624复习习思思考考题题牢记记达达西西定定律律及及达达西西定定律律表表达达式式掌握握渗渗透透流流速速、、水水力力梯梯度度、、渗渗透透系系数数的的涵涵义义流线线、、流流网网的的概概念念，，掌掌握握流流网网绘绘制制的的基基本本步步骤骤，，了了解解边边界界条条件件在在